分布式MOOC虚拟实验平台构建研究

摘  要 我国MOOC虚拟实验平台的薄弱现状已成为影响和制约MOOC实验教学发展的瓶颈之一，加强MOOC虚拟实验平台建设是现实的迫切需要。分布式MOOC虚拟实验平台以其突出的灵活性、经济性和适用性，应作为当前教育信息化建设的重点领域予以支持和加强。从分布式MOOC虚拟实验平台的功能模块、系统架构和技术工具三个方面，对其构建问题进行详细探讨和分析。

关键词 教育信息化;MOOC实验教学;分布式MOOC虚拟实验平台;Virtools;VRML;LabVIEW;Java 3D

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）20-0027-04

Study on Construction of Distributed Virtual Experiment Plat-forms for MOOCs//XIE Shaoping

Abstract The weak present situation of virtual experiment platforms for MOOCs has become the one of bottlenecks that influence and restrict the development of experiment instruction of MOOCs， and it is the urgent realistic needs to strengthen the building of virtual experiment platforms for MOOCs. The distributed virtual experi-ment platforms for MOOCs should be as the important field of edu-cation informatization building to support and strengthen for their outstanding flexibility， economy and applicability. This paper dis-cusses and analyzes in detail the construction problems of distributedvirtual experiment platforms for MOOCs with their functional mo-dules， system architecture and technical tools.

Key words education informatization; experiment instruction of MOOCs; distributed virtual experiment platforms for MOOCs; Vir-tools; VRML; LabVIEW; Java 3D

0  引言

鉴于我国MOOC实验教学的薄弱现状和虚拟实验的优势，大力发展虚拟实验是改变MOOC实验教学薄弱现状的必经之路[1]。MOOC虚拟实验平台作为开展MOOC虚拟实验教学的重要载体，在其中发挥着关键作用。然而我国还比较缺乏专门的MOOC虚拟实验平台，这已经成为影响和制约我国MOOC实验教学发展的瓶颈之一。虽然许多高校开发了一些小型的虚拟实验平台，但这些虚拟实验平台还存在实验资源单一、共享性弱（服务对象一般仅局限于本校师生）、各自为政和重复建设等问题[2]。如何把这些虚拟实验平台的资源进行优化整合和MOOC化升级改造，这是MOOC虚拟实验平台建设的一个重要方向。

通过构建分布式MOOC虛拟实验平台，既可以把已有的虚拟实验平台的资源实现优化整合和MOOC化升级改造，也可以根据实际需要开发新的虚拟实验项目和虚拟实验资源，从而实现全方位的MOOC虚拟实验教学功能，具有非常强的灵活性、经济性和适用性。本文试对分布式MOOC虚拟实验平台的构建问题进行探讨，以期为推动和促进我国MOOC实验教学发挥积极的作用。

1  分布式MOOC虚拟实验平台功能模块

分布式MOOC虚拟实验平台的功能模块由管理模块、实验模块、交流模块、教学模块和接口模块组成，具体结构如图1所示。

1.1  管理模块

1.1.1  用户管理  用户管理子模块负责用户的身份识别和权限管理。平台的用户共有四种类型，即学习者、教师、游客和管理者，分别对应不同的操作权限。学习者可以操作虚拟实验仪器，测量和处理实验数据，撰写实验报告，观看实验教学视频，接受教师指导，与其他学习者进行协作交流等。教师可以发布实验讲义和实验教学视频，开展同步或异步实验教学，对学习者进行指导和答疑等。游客可以浏览课程讲义和课件，观看实验教学视频等，但一般不能进行实验操作。管理者负责虚拟实验资源管理和更新、平台的安全运行维护和技术升级等。分布式MOOC虚拟实验平台用户数量多、分布范围广，他们的身份信息数据一般存储在主服务器中。

1.1.2  实验资源管理  分布式MOOC虚拟实验平台的实验资源主要包括实验课程资源（讲义、课件等）、虚拟仪器、虚拟实验软件、虚拟机、实验测评系统和教学视频资源等。实验资源的管理包括对实验课程资源的增删和更新，虚拟仪器和虚拟实验软件的升级和维护，虚拟机资源的配置和调度，实验测评系统的调试和维护，视频资源的上传和更新，分布式虚拟实验资源的协调、整合和优化。实验资源存储于分布式实验服务器中，主要由各协作单位的实验教师和管理者负责进行维护和管理。

1.1.3  教学管理  教学管理包括实验课程管理、实验过程管理和实验教学评价管理等。实验课程管理包括实验课程的创建、修改和发布，学习者的注册、名单生成和导出等。实验过程管理包括实验预习的组织及测试结果的运用、实验操作过程的记录和保存、实验报告的撰写和提交。实验教学评价管理包括实验成绩管理（实验成绩的生成和导出）和实验报告批阅（人工批阅或自动批阅）。由于分布式MOOC虚拟实验平台的资源分布比较分散，因此对其教学管理带来很大的挑战。

1.1.4  平台数据管理  分布式MOOC虚拟实验平台涉及大量的用户信息、实验过程和实验结果、实验项目、虚拟仿真实验元件等数据，需要通过完备的数据库系统对它们进行高效管理。数据库系统对平台的数据管理功能包括用户账号数据管理、实验数据管理、实验项目和实验设备数据管理、历史数据回放和实时数据发布等。通过对平台数据的有效管理，达到减少数据存储冗余、实现数据共享、保障数据安全以及高效地处理数据的目的。

1.2  实验模块

1.2.1  实验预习  为了保证虚拟实验的顺利开展，学习者在正式开始虚拟实验操作之前需要对实验内容进行必要的预习。实验预习子模块为学习者提供关于实验原理、实验步骤、实验仪器操作要领等知识的预习和测验功能。预习方式包括学习实验讲义和课件，观看实验教学视频以及与其他学习者进行交流讨论等。平台通过提供相应的测试题以检验学习者的实验预习效果，学习者根据这些反馈信息对实验预习内容及时进行查漏补缺。

1.2.2  实验操作  实验操作子模块为学习者提供虚拟实验仪器的在线操作和控制、实验现象的观察和记录、实验数据的分析和处理、实验结果的输出等功能，是平台的核心子模块。Web浏览器是学习者和虚拟实验资源进行交互的客户端软件。学习者在客户机端通过Web浏览器访问平台的分布式虚拟实验资源，通过鼠标、键盘或触摸屏等实现对远程虚拟实验仪器设备的操作和控制：客户机发出的实验操作指令通过网络传输给实验服务器，实验服务器接受客户端发送的实验操作指令并对其进行分析、处理和执行，最终将分析、处理和执行的结果返回给客户机并显示。

1.2.3  实验数据处理  在学习者进行虚拟实验操作活动过程中，实验服务器端的虚拟仪器或虚拟实验软件输出对应的实验数据。实验数据处理子模块负责对这些实验数据的分析和处理工作，包括对实验数据有效性和准确性的检验、实验数据的运算处理、处理结果的保存和输出等。实验数据的处理过程在实验服务器端进行，其处理结果的数据一般保存在实验服务器端（可以根据需要进行共享），对于一些保密性的结果数据也可單独保存在客户机端。

1.2.4  实验测评  实验测评子模块负责对学习者的实验过程和实验结果进行测评，并据此生成实验成绩。实验过程的测评侧重于对学习者的实验操作规范性、实验方案合理性的评价，实验结果的测评侧重于对实验数据处理结果精确性和实验结论科学性的评价。测评的方式分为自动测评和人工测评。考虑到平台的学习者数量庞大、实验测评任务量大的特点，主要采用自动测评方式，由服务器端的自动测评软件完成;人工测评由实验教师完成，平台提供相应的技术支持。

1.3  交流模块

1.3.1  智能答疑  智能答疑子模块为学习者提供关于实验学习过程中的疑难和困惑问题的智能答疑服务。该子模块通过自然语言处理技术分析和自动匹配学习者提出的问题，通过搜索引擎技术和文本挖掘技术在答疑知识库中快速找到问题的答案并把它们推送给学习者。由于分布式MOOC虚拟实验平台的实验项目数量众多，学习者面临的问题也是多种多样的，因此，答疑知识库应该尽可能全面覆盖这些问题的答案。问题—答案匹配的精确性、答疑知识库的全面性是影响智能答疑效果的关键。

1.3.2  教师辅导  由于学习者在实验过程中遇到的问题千差万别，智能答疑并不能完全满足学习者的答疑需求，而教师辅导能为学习者提供更专业、精准的答疑服务，因此，教师辅导是智能答疑的有效补充。教师辅导子模块通过提供在线聊天室、站内信和论坛等工具，支持教师对学习者的实验学习和实验操作进行辅导和答疑。教师辅导的问题和结果又可自动纳入智能答疑知识库中，从而促进教师辅导和智能答疑之间的贯通和协作。

1.3.3  学习者交流协作  学习者之间的交流协作对于减少虚拟实验中的孤独感、保证实验学习效果具有很重要的意义，而一些实验项目也需要多个学习者协作才能顺利完成，因此，平台需要提供支持学习者交流协作的功能。该子模块通过提供群聊、私聊、讨论组等方式，支持学习者在实验前后、实验过程中随时进行交流讨论;通过相应虚拟实验软件和网络的支持，实现学习者之间的协作实验。

1.4  教学模块

1.4.1  异步实验教学  为了给学习者提供更全面、深入的支持和帮助，虚拟实验平台有必要提供异步和同步实验教学服务。异步实验教学即把教师的实验教学内容预先录制成视频并以流媒体格式存储在实验服务器端，学习者可以随时随地通过在线播放教学视频进行学习。实验教学内容主要包括实验原理和实验方法的讲解、实验操作的示范演示等。异步实验教学灵活、方便，是虚拟实验教学的主要形式。

1.4.2  同步实验教学  同步实验教学即教师通过网络直播课堂实时对学习者进行实验内容的教学。虚拟实验平台通过内置的直播插件和交互工具软件实现同步实验教学功能，支持一对一、一对多的视音频互动、文字弹幕、课堂练习和反馈等。同步实验教学的实时交互性强，教师在教学过程中能实时为学习者答疑解惑，但对网络环境、软硬件性能的要求更高，它是异步实验教学的有效补充。

1.5  接口模块

1.5.1  虚拟实验室接口  虚拟实验室接口是虚拟实验室与虚拟实验平台之间进行信息交换的枢纽，是分布式MOOC虚拟实验平台实现开放式组织体系结构的重要支撑。各高校的众多虚拟实验室通过虚拟实验室接口与虚拟实验平台相连，实现虚拟实验资源的跨平台、跨校际的共享，从而极大地增强了分布式MOOC虚拟实验平台的开放性、共享性和协作性。

1.5.2  登录接口  登录接口用于实现用户登录设备和虚拟实验平台之间的高效连接和匹配，并支持多种登录方式（包括文本密码、人脸识别、指纹等）的应用。由于登录接口与用户的身份验证、操作权限密切相关，而且用户的登录设备和登录方式差异很大，因此，可靠的安全性和灵活的适应性是登录接口的必然要求。

2  分布式MOOC虚拟实验平台的系统架构

由于采用B/S架构的虚拟实验平台比较稳定，可扩展性好，系统的维护和升级比较方便、快捷[3]，因此，分布式MOOC虚拟实验平台采用B/S（Browser/Server）架构。基于B/S架构的分布式MOOC虚拟实验平台由主服务器、Web服务器、实验服务器和客户机四部分组成，具体如图2所示。

2.1  主服务器

主服务器主要负责分布式MOOC虚拟实验平台的用户管理、实验项目管理和教学管理。在用户管理方面，主服务器以数据库的形式存储了所有用户的身份信息，当用户访问平台时，主服务器对用户身份进行识别验证，并根据用户类型（学习者、教师、游客或管理者）授予相应的操作权限。在实验项目管理方面，主服务器对平台的所有实验项目进行集中、统一管理，包括实验项目的发布和增删、实验资源的整合和协调、实验内容的修改和优化等。主服务器承担的教学管理任务主要包括实验课程管理和实验教学评价管理。

2.2  Web服务器

Web服务器用于建立客户机、主服务器和实验服务器之间的网络连接，从而实现基于Web的数据通信和交互服务功能。用户通过Web浏览器访问虚拟实验平台时，从Web服务器端获取相应的虚拟实验应用程序和配置文件等。Web服务器根据用户的操作请求，将用户的操作指令发送给主服务器和实验服务器，主服务器和实验服务器将相应的虚拟实验资源以数据包的形式发送给客户机。用户通过Web浏览器生成动态网页的形式获得对实验现象、实验数据以及实验操作的显示与反馈。因此，Web服务器可看作系统中为客户机、主服务器和实验服务器提供网络服务的中介。

2.3  实验服务器

实验服务器提供虚拟实验资源的应用和管理、虚拟实验操作和测评等功能。为了最大限度地实现虚拟实验资源的共享和提高系统的运行效率，实验服务器采用分布式的结构，即分散在各高校的众多实验服务器通过Internet联网，由主服务器对它们进行集中的协调、控制和管理。實验服务器运用软件技术创建各种虚拟仿真实验环境，根据客户机和主服务器发送的操作请求和指令，模拟产生相对应的实验现象，输出对应的实验数据。实验服务器中设有专门的数据库，用于存储各种虚拟实验资源和实验过程/结果的数据。

2.4  客户机

客户机为用户端的计算机或其他智能终端，其主要应用程序为Web浏览器。Web浏览器通过可视化操作界面为用户提供虚拟实验平台的各项功能，包括用户注册和登录、实验教学、实验操作和交流讨论等。由于B/S架构的应用程序均部署在服务器端，客户机不需要安装复杂的客户端软件，这样就大大降低了对客户机的性能要求，也简化了用户的操作复杂度;用户借助于Web浏览器、通过Internet即可实现对服务器端各种虚拟实验资源的访问，开展相应的虚拟实验操作或管理维护。

3  分布式MOOC虚拟实验平台的技术工具

分布式MOOC虚拟实验平台所应用的技术工具有VRML、Virtools、LabVIEW、Java 3D等虚拟现实建模语言，它们是实现虚拟实验平台功能的技术基础。

3.1  VRML

VRML是一种具有3D建模功能的虚拟现实建模语言，具有丰富的多媒体表现形式、强大的可视化管理和交互的协同环境等优点。用VRML进行MOOC虚拟实验平台的开发，既可以增强虚拟实验的操作体验，又可以很好地实现协作式的虚拟实验环境。VRML在分布式MOOC虚拟实验平台应用的基本过程是：首先在实验服务器端用文本进行3D虚拟实验场景的创建，然后将这些文本信息数据通过Internet传输给客户机，最后在客户机的浏览器中还原生成3D虚拟实验场景。VRML只需传输很少的数据就能实现3D虚拟实验场景的浏览和交互，对网速的要求很低，因此非常适合作为分布式MOOC虚拟实验平台的建模语言。

3.2  Virtools

Virtools是一款3D互动程序开发工具，除了提供基本的行为模块以外，还提供很多可选模块，因此具有很强的灵活性和适应性。Virtools以其便捷的人机交互、图形化的用户界面、模块化的技术开发路线、高效的协作平台等优势，广泛应用于各种虚拟现实的开发环境[4]。在分布式MOOC虚拟实验平台开发过程中，用Virtools可以实现对2D或3D虚拟实验模型以及音视频等元素的整合，生成具有丰富交互功能的虚拟实验场景。此外，开发者还可以选用Virtools自带的500多种行为模块或自己编制行为模块，开发出类型多样、功能丰富的虚拟实验模型以用于各种虚拟实验场景的创建。

3.3  LabVIEW

LabVIEW是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器开发工具，通过软面板来替代传统的仪器面板，通过操作软面板来完成信号采集、分析与处理、测量结果的存储与输出等传统仪器的各种功能。用户可以根据自己的需要灵活定义虚拟仪器的功能。所构建的虚拟仪器能方便地与网络、外设及其他应用连接，实现多用户的数据共享[5]。LabVIEW可用于分布式MOOC虚拟实验平台的虚拟仪器开发过程中，开发人员无须进行烦琐的程序代码编写工作，而是以图形方式组装仪器单元模块和生成虚拟仪器，从而大大降低虚拟仪器开发的工作强度。开发好的虚拟仪器程序储存在实验服务器中，随时供学习者进行远程访问和实验操作。

3.4  Java 3D

Java 3D是Java编程语言在3D图形领域的拓展，可以编写出基于网页3D场景的应用程序。Java 3D通过采用3D场景自动消隐、硬件加速等方法，具有很高的运行效率，对3D场景的网络传输速度快、响应时间短、用戶体验好[6]，还具有良好的跨平台运行特性。因此，Java 3D比较适用于分布式MOOC虚拟实验平台的虚拟实验场景创建。Java 3D创建虚拟实验场景一般要经过虚拟实验场景3D建模、动画设计、交互设计和调试发布这几个阶段。Java 3D提供了用于创建和操作3D场景的高层次架构，开发人员利用这些高层次架构可方便、高效地创建3D虚拟实验场景，以此构成分布式MOOC虚拟实验平台的重要虚拟实验资源。

4  结语

包括虚拟实验平台在内的数字教育资源建设是教育信息化建设的重要内容之一，对于促进信息技术与教学的深度融合、实现教育教学模式的创新具有重要意义。教育部在2018年颁布的《教育信息化2.0行动计划》中提出：要以在线开放课程、虚拟仿真实验教学平台等建设为抓手，加强大容量智能教学资源建设，加快建设智能实验室，形成泛在化、智能化的学习体系[7]。分布式MOOC虚拟实验平台就属于一种大容量的智能教学资源类型，具有强大的灵活性、经济性和适用性，能有效支持学习者泛在化、智能化的实验学习和实验操作，从而为改变MOOC实验教学薄弱现状发挥积极的作用，因此，应把分布式MOOC虚拟实验平台建设作为当前教育信息化建设的重点领域予以支持并不断加强。■

参考文献

[1]谢绍平，刘强，谌贻波.虚拟实验：MOOC环境下实验教学的重要发展方向[J].中国教育信息化，2018（23）：74-79.

[2]许小东，吴军强，刘小晶.基于MOOC的程序设计开放实验平台的构建[J].实验室研究与探索，2017，36（4）：157-160.

[3]蒋耘晨.虚拟实验室技术[M].北京：北京理工大学出版社，2011：19.

[4]罗虹，王士勇.基于Virtools技术的虚拟教学系统的设计与实现[J].现代教育技术，2007（10）：57-60.

[5]全晓莉，古良玲.基于LabVIEW的电子类虚拟实验系统设计[J].实验技术与管理，2018（2）：121-123，129.

[6]万霞.摄影技术网络虚拟实验平台的设计与开发[D].武汉：华中师范大学，2011：5.

[7]教育信息化2.0行动计划[EB/OL].（2018-04-25）[2021-

05-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/2018

04/t20180425_334188.html.